第1章 数据采集系统概述.ppt
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直到扣完 考勤：10%，缺席一次扣２分，缺席３次取消考试
资格 考试：80%（开卷）
参考书Reference：
《数据采集与处理技术》马明建 西安交通大学 出版社
《数据采集与处理》沈兰荪 中国科学技术大学 出版社
《数据采集与处理》王延光 《微型计算机A/D、D/A数据采集系统的设计》
清华大学出版社 《数据采集原理》肖忠祥 西北工业大学出版社
图示为一个储油罐示意图
图1.5
2、发展趋势 ⑴ 模块化：板卡模块化。 数据采集板卡、数据采集模块等。 ⑵ 高速度：速度越快越好，速度越快越贵。 ⑶ 智能化：采集器稍配外设即可组成各种DAS系统。
PCI-I32AD是一个基于 32位PCI总线结构的高级数 据采集卡。高性能的设计和 艺术级的工艺使 PCI-I32AD 成为医疗、过程控制等方面 数据纪录和信号分析应用的 理想解决方.
4、过程控制：就是将采集处理后的数据经 D/A转换成模拟量或直接通过I/O接口或网络 输出数字量对被控对象起作用。
二、DAS的组成部分
数据采集系统的结构随其用途而具有不同 的组成形式。一般地，一个数据采集系统应包 括以下六个组成部分： 1、传感器（Sensor）
将非电量（如：压力、温度、流量、液位、 位移等）变成电信号。常称为一次仪表，其输 出一般是模拟量，但也有的输出数字量。
数据采集系统 Data Acquisition System
主讲教师:李 莉
信息与控制工程学院电子信息工程系
什么是数据采集？
数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系 统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。数 据采集技术广泛引用在各个领域。
被采集数据是已被转换为电信号的各种物理量，如 温度、水位、风速、压力等，可以是模拟量，也可 以是数字量。采集一般是采样方式，即隔一定时间 （称采样周期）对同一点数据重复采集。采集的数 据大多是瞬时值，也可是某段时间内的一个特征值。 准确的数据量测是数据采集的基础。
2、信号调理电路（Signal Conditioning） 信号调理电路的主要功能包括信号的转换和标准化。 ⑴ 对模拟信号而言： mV--V；kV--V；交流—直流；R--V等。 总之，要进行滤波、衰减、放大、整形等，得到 计算机所‘认识’的标准信号（4—20mA、1— 5V、±5V、±10V）。 ⑵ 对数字信号而言：缓冲、锁存、整形等。
作业
1、DAS通常包括哪些组成部分？各组成部分的作用分别是什么？ 2、设计一个监控油罐T、P、L的DAS系统的硬件、软件框图。
已知： P1为压力传感器：量程0—500KPa，输出0—280mV； T为温度传感器：量程0—200℃，输出4—20mA； 液位由压力开关检测近似表示，PK1、PK2、PK3为液位传感 器，有液体时有信号。
3、消除干扰 平滑、滤波、非线性校正、IIR、FIR、数字滤波。
4、数据变换运算 相关、卷积、滤波、PID、频谱分析等。
5、数据输出 制表、显示、打印、绘图、控制。
常用程序设计语言有：汇编、BASIC、C、 C++、 VB、VC等。
四、DAS的应用及发展
1、应用 ⑴ 工业过程控制：实时检测控制，DCS、SCADA； ⑵ 遥测遥控：航天、航空、火箭、卫星发射； ⑶ 智能仪表、测试仪器：微机控制、数字显示； ⑷ 家用电器、民用电子产品：智能控制、红外、电
ห้องสมุดไป่ตู้
数据采集系统
第一章 DAS概述 第二章 信号调理电路 第三章 多路模拟开关 第四章 采样与采样/保持器 第五章 模数转换器ADC 第六章 数模转换器DAC 第七章 接口设计
课程作用
了解个人计算机总线结构 能设计各种CPU总线的DAS系统的接口 能熟练运用汇编语言及高级语言进行数据
DAS的变化框图：
图1.2 DAS变化框图
若计算机的输出还用于控制执行机构以调节过 程参数，此时DAS就发展成为计算机控制系统。 如电磁阀的控制、PID控制，这相当于在DAS的基 础上增加了自动调节（负反馈控制），使其成为 完整的生产过程自动化系统。
带有反馈控制的DAS系统一般称为计算机控制 系统，其基本框图如下：
视、洗衣机、录象机、智能记录、存储； ⑸ 计算机仿真系统：汽车驾驶培训、潜艇仿真运行、
钻井仿真培训等均离不开DAS的应用（数据来自 现场，输出却不对现场起作用）。
油井SCADA无线数据采集系统
⑴ 采集各油井的参数使操作人员在室内了解油井的工作状况。 ⑵ 组成：由主站及井口RTU组成（Remote Telemetry Unit）
•特性： 32位PCI总线, 即插即用 32路单端12位模拟输入通道 隔离电压：最高5000Vrms 12位逐次逼近A/D转换器（ADS774或兼容芯片） 可编程增益X1，X10，X100 最高至60KHz的采样速率 双极性或单极性模拟输入方式
触发模式: 软件触发, 定时触发 自动扫描通道选择
紧凑型, 半长PCB 牢固的DB-37接口兼容PCL-813管脚排列 板上低通滤波器用以改善或衰减信号
3、多路模拟开关（MUX）
作用：使多路被测信号共享一路A/D。
当被测量信号的通道比较多时，为了节省开支 和减轻电路的复杂程度，一般在信号调理电路后 面，加多路模拟切换开关，从而使各路信号共享 一路A/D通道。当然，这样做会影响采样速度，因 而对于变化很快的被测信号，就需要为每一路单 独配置A/D通道，成本必然提高。实际设计时，可 根据具体情况灵活掌握。
图1.3 带反馈控制的DAS框图
三、数据处理
1、零点、满度调整 调A/D转换器，使其满足系统要求。
2、校准调试 进行系数整定、定标，用于恢复原物理量的
量纲及表示形式。
例：某线性压力传感器，测得下述一组数据
压力（KPa）：0 10 50 100 200 300 400 500
输出（V） ： 0.0 0.1 0.5 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
处理 能进行现场的DAS及控制系统的设计工作 能进行智能仪表的设计 其它（如家用电器方面）的设计
要求
学习时，掌握基本概念及基本理论 预修课的复习：模电、数电、电路、传感器、信
号系统、微机原理、单片机、语言 上课做适当的笔记 作业按时完成：10%，缺一次扣2分（大约5次），
则该压力传感器的定标系数为：100 KPa/V。即：每输 出1V电压，传感器需加压100 KPa。
有了定标系数，便可以将A/D后的数字量变成相应的 物理量纲（具体大小）。如采用上述压力传感器，8bit A/D，满度为5V，单极性。若转换结果为80H （10000000B），27=128。
则表示的电压为27×(5/28)=2.5V，代表实际压力为： 2.5×100=250KPa。
1、数据采集：就是将生产过程或控制过程中 要检测或监视的信号（模拟或数字）按一定 的时间间隔，通过一定的信号处理变成计算 机所能接受的数据形式，并存储在计算机的 存储器中。
2、数据采集系统：处理信息的I/O设备、计算 机软硬件等的总称。
3、数据处理：处理采集的数据的过程（属于 数字信号处理范畴）。如：平滑、滤波、剔 除奇异项、相关、卷积、频谱分析等。
第一章 数据采集系统概述
随着计算机的发展与普及，社会已进 入信息时代。作为获取信息重要工具的微机 数据采集系统，日益广泛地深入到生产、科 研的各个领域，形成了一种兴旺发达的产业， 它也就自然地成为电子信息工程专业的学生 或其它有关专业的工程技术人员的专业知识。
一、DAS的基本概念
随着计算机、微型机及信息技术的高速发展，数 据采集及过程控制技术变的愈来愈重要。为了把需 要处理的信息输入给计算机，把计算机处理的结果 输出到所需的场所，就需要一系列输入、输出设备 （计算机外围设备）来完成信息的调理、采样、 A/D、D/A转换、打印、显示等工作。这些处理信 息的输入输出设备与计算机一起就构成一个数据采 集系统DAS（Data Acquisition System）。
4、采样保持电路（S/H） S/H的基本功能是：获取输入信号并在其后
A/D转换期间使信号保持不变。特别是当被测信 号为高频信号时，都应加采样保持电路。
5、A/D转换电路（ADC） DAS的核心器件是A/D转换器。因为只有通
过它才能将模拟量变成计算机所能接受的数字 量。具体讲，A/D转换部分应包括以下两项功能： ⑴ 将模拟量转换为数字量。
⑵ 能与计算机进行接口。
6、计算机及数据输出设备 一般采用工控机及打印机、绘图仪等，用
于将采集处理后的数据打印或显示出来（报表、 曲线等）。
根据以上分析，我们可以画出一个DAS的一 个基本的组成框图
图1.1 DAS基本框图
当然，DAS的结构方案很多，如每一路 输入有单独的S/H和A/D转换等。
⑶ 由8031单片机组成的DAS系统：A/D,D/A板,电源板,电台…… ⑷ 采集的量有：
油压、套压、回压、压力超高(开关)、压力超低(开关)、油温、电源 的启/停(开关)、三相电压、三相电流、欠载、断相、过载等。 ⑸ 软件的编制：RTU处于接收状态，接收来自主站RTU的命令。要数 据则发送、要控制则动作，循环进行，主要控制在CCR（中控室）。
资格 考试：80%（开卷）
参考书Reference：
《数据采集与处理技术》马明建 西安交通大学 出版社
《数据采集与处理》沈兰荪 中国科学技术大学 出版社
《数据采集与处理》王延光 《微型计算机A/D、D/A数据采集系统的设计》
清华大学出版社 《数据采集原理》肖忠祥 西北工业大学出版社
图示为一个储油罐示意图
图1.5
2、发展趋势 ⑴ 模块化：板卡模块化。 数据采集板卡、数据采集模块等。 ⑵ 高速度：速度越快越好，速度越快越贵。 ⑶ 智能化：采集器稍配外设即可组成各种DAS系统。
PCI-I32AD是一个基于 32位PCI总线结构的高级数 据采集卡。高性能的设计和 艺术级的工艺使 PCI-I32AD 成为医疗、过程控制等方面 数据纪录和信号分析应用的 理想解决方.
4、过程控制：就是将采集处理后的数据经 D/A转换成模拟量或直接通过I/O接口或网络 输出数字量对被控对象起作用。
二、DAS的组成部分
数据采集系统的结构随其用途而具有不同 的组成形式。一般地，一个数据采集系统应包 括以下六个组成部分： 1、传感器（Sensor）
将非电量（如：压力、温度、流量、液位、 位移等）变成电信号。常称为一次仪表，其输 出一般是模拟量，但也有的输出数字量。
数据采集系统 Data Acquisition System
主讲教师:李 莉
信息与控制工程学院电子信息工程系
什么是数据采集？
数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系 统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。数 据采集技术广泛引用在各个领域。
被采集数据是已被转换为电信号的各种物理量，如 温度、水位、风速、压力等，可以是模拟量，也可 以是数字量。采集一般是采样方式，即隔一定时间 （称采样周期）对同一点数据重复采集。采集的数 据大多是瞬时值，也可是某段时间内的一个特征值。 准确的数据量测是数据采集的基础。
2、信号调理电路（Signal Conditioning） 信号调理电路的主要功能包括信号的转换和标准化。 ⑴ 对模拟信号而言： mV--V；kV--V；交流—直流；R--V等。 总之，要进行滤波、衰减、放大、整形等，得到 计算机所‘认识’的标准信号（4—20mA、1— 5V、±5V、±10V）。 ⑵ 对数字信号而言：缓冲、锁存、整形等。
作业
1、DAS通常包括哪些组成部分？各组成部分的作用分别是什么？ 2、设计一个监控油罐T、P、L的DAS系统的硬件、软件框图。
已知： P1为压力传感器：量程0—500KPa，输出0—280mV； T为温度传感器：量程0—200℃，输出4—20mA； 液位由压力开关检测近似表示，PK1、PK2、PK3为液位传感 器，有液体时有信号。
3、消除干扰 平滑、滤波、非线性校正、IIR、FIR、数字滤波。
4、数据变换运算 相关、卷积、滤波、PID、频谱分析等。
5、数据输出 制表、显示、打印、绘图、控制。
常用程序设计语言有：汇编、BASIC、C、 C++、 VB、VC等。
四、DAS的应用及发展
1、应用 ⑴ 工业过程控制：实时检测控制，DCS、SCADA； ⑵ 遥测遥控：航天、航空、火箭、卫星发射； ⑶ 智能仪表、测试仪器：微机控制、数字显示； ⑷ 家用电器、民用电子产品：智能控制、红外、电
ห้องสมุดไป่ตู้
数据采集系统
第一章 DAS概述 第二章 信号调理电路 第三章 多路模拟开关 第四章 采样与采样/保持器 第五章 模数转换器ADC 第六章 数模转换器DAC 第七章 接口设计
课程作用
了解个人计算机总线结构 能设计各种CPU总线的DAS系统的接口 能熟练运用汇编语言及高级语言进行数据
DAS的变化框图：
图1.2 DAS变化框图
若计算机的输出还用于控制执行机构以调节过 程参数，此时DAS就发展成为计算机控制系统。 如电磁阀的控制、PID控制，这相当于在DAS的基 础上增加了自动调节（负反馈控制），使其成为 完整的生产过程自动化系统。
带有反馈控制的DAS系统一般称为计算机控制 系统，其基本框图如下：
视、洗衣机、录象机、智能记录、存储； ⑸ 计算机仿真系统：汽车驾驶培训、潜艇仿真运行、
钻井仿真培训等均离不开DAS的应用（数据来自 现场，输出却不对现场起作用）。
油井SCADA无线数据采集系统
⑴ 采集各油井的参数使操作人员在室内了解油井的工作状况。 ⑵ 组成：由主站及井口RTU组成（Remote Telemetry Unit）
•特性： 32位PCI总线, 即插即用 32路单端12位模拟输入通道 隔离电压：最高5000Vrms 12位逐次逼近A/D转换器（ADS774或兼容芯片） 可编程增益X1，X10，X100 最高至60KHz的采样速率 双极性或单极性模拟输入方式
触发模式: 软件触发, 定时触发 自动扫描通道选择
紧凑型, 半长PCB 牢固的DB-37接口兼容PCL-813管脚排列 板上低通滤波器用以改善或衰减信号
3、多路模拟开关（MUX）
作用：使多路被测信号共享一路A/D。
当被测量信号的通道比较多时，为了节省开支 和减轻电路的复杂程度，一般在信号调理电路后 面，加多路模拟切换开关，从而使各路信号共享 一路A/D通道。当然，这样做会影响采样速度，因 而对于变化很快的被测信号，就需要为每一路单 独配置A/D通道，成本必然提高。实际设计时，可 根据具体情况灵活掌握。
图1.3 带反馈控制的DAS框图
三、数据处理
1、零点、满度调整 调A/D转换器，使其满足系统要求。
2、校准调试 进行系数整定、定标，用于恢复原物理量的
量纲及表示形式。
例：某线性压力传感器，测得下述一组数据
压力（KPa）：0 10 50 100 200 300 400 500
输出（V） ： 0.0 0.1 0.5 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
处理 能进行现场的DAS及控制系统的设计工作 能进行智能仪表的设计 其它（如家用电器方面）的设计
要求
学习时，掌握基本概念及基本理论 预修课的复习：模电、数电、电路、传感器、信
号系统、微机原理、单片机、语言 上课做适当的笔记 作业按时完成：10%，缺一次扣2分（大约5次），
则该压力传感器的定标系数为：100 KPa/V。即：每输 出1V电压，传感器需加压100 KPa。
有了定标系数，便可以将A/D后的数字量变成相应的 物理量纲（具体大小）。如采用上述压力传感器，8bit A/D，满度为5V，单极性。若转换结果为80H （10000000B），27=128。
则表示的电压为27×(5/28)=2.5V，代表实际压力为： 2.5×100=250KPa。
1、数据采集：就是将生产过程或控制过程中 要检测或监视的信号（模拟或数字）按一定 的时间间隔，通过一定的信号处理变成计算 机所能接受的数据形式，并存储在计算机的 存储器中。
2、数据采集系统：处理信息的I/O设备、计算 机软硬件等的总称。
3、数据处理：处理采集的数据的过程（属于 数字信号处理范畴）。如：平滑、滤波、剔 除奇异项、相关、卷积、频谱分析等。
第一章 数据采集系统概述
随着计算机的发展与普及，社会已进 入信息时代。作为获取信息重要工具的微机 数据采集系统，日益广泛地深入到生产、科 研的各个领域，形成了一种兴旺发达的产业， 它也就自然地成为电子信息工程专业的学生 或其它有关专业的工程技术人员的专业知识。
一、DAS的基本概念
随着计算机、微型机及信息技术的高速发展，数 据采集及过程控制技术变的愈来愈重要。为了把需 要处理的信息输入给计算机，把计算机处理的结果 输出到所需的场所，就需要一系列输入、输出设备 （计算机外围设备）来完成信息的调理、采样、 A/D、D/A转换、打印、显示等工作。这些处理信 息的输入输出设备与计算机一起就构成一个数据采 集系统DAS（Data Acquisition System）。
4、采样保持电路（S/H） S/H的基本功能是：获取输入信号并在其后
A/D转换期间使信号保持不变。特别是当被测信 号为高频信号时，都应加采样保持电路。
5、A/D转换电路（ADC） DAS的核心器件是A/D转换器。因为只有通
过它才能将模拟量变成计算机所能接受的数字 量。具体讲，A/D转换部分应包括以下两项功能： ⑴ 将模拟量转换为数字量。
⑵ 能与计算机进行接口。
6、计算机及数据输出设备 一般采用工控机及打印机、绘图仪等，用
于将采集处理后的数据打印或显示出来（报表、 曲线等）。
根据以上分析，我们可以画出一个DAS的一 个基本的组成框图
图1.1 DAS基本框图
当然，DAS的结构方案很多，如每一路 输入有单独的S/H和A/D转换等。
⑶ 由8031单片机组成的DAS系统：A/D,D/A板,电源板,电台…… ⑷ 采集的量有：
油压、套压、回压、压力超高(开关)、压力超低(开关)、油温、电源 的启/停(开关)、三相电压、三相电流、欠载、断相、过载等。 ⑸ 软件的编制：RTU处于接收状态，接收来自主站RTU的命令。要数 据则发送、要控制则动作，循环进行，主要控制在CCR（中控室）。